CC BY
18
УДК 628.14
НАЗНАЧЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ г. ЯКУТСКА
Л.Д.Терехов1, О.В.Акимов2
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
Приведены результаты моделирования гидравлических и тепловых режимов водопроводной сети г. Якутска, позволившего снизить затраты на подогрев воды на 35%. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: водоснабжение; Север; энергосбережение.
APPOINTMENT OF ENERGY SAVING THERMAL REGIMES IN WATER SUPPLY NETWORK OF YAKUTSK L.D. Terekhov, O.V. Akimov
Far Eastern State University of Railway Engineering, 47 Seryshev St., Khabarovsk, 680021.
The authors present the simulation results of hydraulic and thermal regimes of Yakutsk water supply network, which allowed to lower the cost of heating water by 35%. 6 figures. 1 table. 2 sources. Key words: water supply; North; energy saving.
Город Якутск является одним из наиболее крупных городов России, расположенных в зоне распространения вечномерзлых грунтов. В настоящее время система водоснабжения Якутска является крупнейшей в северной части Дальнего Востока. В состав сооружений системы водоснабжения города входят водозаборные сооружения, насосные станции первого и второго подъема, шесть водоузлов (ВУ), служащих для перекачивания и подогрева воды, водоводы и водопроводная сеть общей протяженностью около 95 км. Прокладка магистральной распределительной сети в основном подземная с глубиной заложения труб в среднем 1,5 м. Температура грунтов в зимний период на этой глубине достигает минус 3,5 0С. Для предотвращения перемерзания воды в трубах распределительной сети воду подогревают в пунктах подогрева, называемых водоузлами. Схема поддержания температурного режима в трубопроводах и степень подогрева в водоузлах принята на основе многолетнего опыта эксплуатации с учетом обеспечения надежности от перемерзания труб (рис. 1).
Температура воздуха в Якутске отличается значительной амплитудой колебаний как в течение года, так и в течение суток. Абсолютный минимум температуры составляет минус 64 0С. Средняя температура за период с отрицательными температурами (210-215 дней) составляет примерно минус 26 С. Данные Якутского гидрометеоцентра по изменению температуры воздуха в зимний период приведены на рис 2.
Расход тепловой энергии на подогрев по водоуз-лам представлен на рис. 3. Очевидно, что основные затраты тепловой энергии приходятся на водоузел 1, так как там подогревается самый большой объем во-
ды и подогрев идет на больший перепад температур в сравнении с другими водоузлами.
Для оценки эффективности принятой системы подогрева воды в распределительной сети города Якутска необходимо, прежде всего, разработать математическую модель сети, адекватно описывающую пото-кораспределение в сети, узловые давления и температуры воды.
Поскольку одновременно осуществляется моделирование гидравлических и тепловых процессов, модель состоит из двух групп уравнений [1]:
1) моделирующих сетевое потокораспределение (аналоги первого и второго законов Кирхгофа);
2) описывающих баланс теплоты смешивающихся потоков для сети в целом, условия, обеспечивающего совпадение начальных температур потоков, выходящих из общего узла, и зависимости, связывающей значения температур в начале и конце участка.
Адекватность модели зависит от задания узловых отборов, величин гидравлических сопротивлений и коэффициентов линейной теплопередачи от наружной поверхности трубопровода к грунту.
Для нахождения гидравлических сопротивлений и линейных коэффициентов теплопередачи использовалась локальная идентификация. Для участков с известными расходами и перепадами давлений находились гидравлические сопротивления. В среднем сопротивления оказались в 1,4 больше вычисленных по приложению 10 [2]. Найденные поправки были распространены на остальные участки. Аналогичным образом для участков с известными расходами и перепадами температур были найдены линейные коэффициенты теплопередачи. Полученные значения плохо согласовывались с линейными коэффициентами теп-
1Терехов Лев Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой гидравлики и водоснабжения. Terekhov Lev Dmitrievich, Doctor of technical sciences, professor, Head of the chair of Hydraulics and Water Supply.
2Акимов Олег Владимирович, кандидат технических наук, доцент, тел.: (4212) 407507, e-mail: [email protected] Akimov Oleg Vladimirovich, Candidate of technical sciences, associate professor, tel.: (4212) 407507, e-mail: [email protected]
Рис. 1. Схема водоснабжения г. Якутска
Рис. 2. Изменение температуры воздуха в зимний период
ВУ3 5539 Гкал
93722 Гкал
Рис. 3. Потребление тепловой энергии на подогрев воды за холодный период
лопередачи, рассчитанными по известным формулам Форхгеймера, Порхаева, несмотря на неплохую изученность теплофизических характеристик грунта в данном районе.
Уменьшения затрат на подогрев воды возможно добиться изменением величины разности температур, на которую осуществляется подогрев воды, и перераспределением степени подогрева воды между во-доузлами.
Как показывает практика эксплуатации сетей водоснабжения Якутска и выполненные тепловые и гидравлические расчеты, наиболее опасными с точки зрения перемерзания трубопроводов являются участки, выходящие из четвертого водоузла. Из опыта эксплуатации установлено, что для надежного водоснабжения в декабре - феврале достаточно поддерживать температуру на выходе из четвертого водоузла равной 9+9,5 С. При этом температура в конечных
16 14 12 10
К 6 4 2 О
" ^
-* 3 вариант
1 вариант |
______ 2 вариант
—- \
.............. \
\ \
4 вариант |
ВУ1
ВУ6
ВУ4
Кот. 61 кв.
1 вариант
3 вариант
2 и 4 варианты
ВУ1 ВУ2 ВУ4
Рис. 5. Изменение температуры по ходу движения воды
точках не опускается ниже 2 С. Для обеспечения надежной безаварийной работы сетей зоны четвертого водоузла принято решение оставить данный режим без изменения.
Для того чтобы найти оптимальное решение, были выполнены многовариантные расчеты, четыре варианта из которых представляют интерес:
1 вариант - фактический тепловой режим.
2 вариант - температура воды на выходе из второго водоузла уменьшается до 90С, температура на выходе из четвертого водоузла поддерживается на уровне 9,20С. Температурный режим на первом водо-узле такой же, как в первом варианте.
3 вариант - подогрев воды осуществляется только на первом водоузле до 15,80С.
4 вариант - температура в первом водоузле поддерживается в коллекторе и в водоводе 0800 мм равной 5,70С, в водоводе на п. Жатай равной 130С. Температура воды на выходе из второго водоузла 90С, температура на выходе из четвертого водоузла 9,20С.
Результаты расчетов приведены на рис. 4.
Для наглядности результаты расчетов представлены также в виде графиков температур (рис. 5). Скачок температуры в ВУ6 объясняется подмешиванием более теплой воды, приходящей со стороны ВУ2.
Из приведенных графиков видно, что наиболее экономически выгодным является четвертый вариант. Однако производительности установленных в четвертом водоузле водонагревателей в настоящее время недостаточно для его осуществления.
Наихудшими экономическими показателями обладает 3 вариант, тем не менее, по данной схеме работает большинство систем водоснабжения, эксплуатирующихся на Севере. Данный расчет был выполнен с
целью показать, насколько важно осуществлять распределенный (в нескольких точках) подогрев воды. Кроме приведенных вариантов, осуществлен расчет с подогревом воды в шестом водоузле, но никаких преимуществ по сравнению с четвертым вариантом выявлено не было, что говорит об оптимальности сложившейся схемы подогрева воды.
Таким образом, в настоящее время можно принять к эксплуатации вариант 2. В данном варианте снижена примерно на 40С температура на выходе из второго водоузла. Этот вариант тепловых режимов апробирован и каких-либо рекламаций не вызвал.
Результаты технико-экономического сравнения вариантов приведены в таблице. Все варианты сравнивались с первым. Знак минус свидетельствует о перерасходе тепла.
Технико-экономическое сравнение вариантов
Вариант Процент снижения затрат, %
2 22,7
3 -66,7
4 35,1
Анализ таблицы показывает, что снижением подогрева в ВУ1 и ВУ2 соответственно на 3 и 50С с одновременным увеличением на 30С температуры воды в ВУ4 можно на треть уменьшить затраты на подогрев воды.
Подогрев воды, поступающей в водопроводную сеть, начинается в середине октября и заканчивается в середине мая. Продолжительность периода, таким образом, составляет 210+215 дней.
Предварительно водоканалу были даны рекомендации не начинать подогрев до момента, пока температура грунта на глубине 1 м не опустится до 00С. В 800 утра 24 октября температура наружного воздуха
OIOIOIOIOIOIOIOIOIOICOCO
река
Рис. 6. Графики температуры воды р. Лены и температуры грунта на глубине 1,2 и 1,6 м
опустилась до минус 23,5°С, и, несмотря на то что температура грунта была 0,70С, сотрудниками водоканала было принято решение о начале подогрева. Следовательно, период подогрева был сокращен на 10 дней по сравнению с предыдущими годами.
На рис. 6 приведены графики температуры воды в р. Лена и температуры грунта на глубине 1,2 и 1,6 м, из которых видно, что момент начала подогрева воды можно перенести, по крайней мере, на 1 ноября. Температура воды р. Лена в эти сутки была 0,90С, грунта
0.10С. Температура воды в самых удаленных от водозабора точках составила бы 0,5+0,6°С. Поскольку на глубине заложения трубопроводов температура грунта положительна, нет опасности перемерзания трубопроводов даже при остановке движения воды. Таким образом, начало периода подогрева можно отодвинуть на 16 дней по сравнению с предыдущими годами и начать с 1 ноября.
На основе анализа работы системы водоснабжения г. Якутска, сложившейся технологии назначения
Библиографический список
1. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических 2. СНиП 2.04.02. - 84*. Водоснабжение. Наружные сети и цепей. М.: Наука, 1985. 275 с. сооружения. М.: ТП ЦПП, 1996. 128 с.
степени подогрева воды, составленной математической модели гидравлических и тепловых режимов в распределительной сети города, а также выполненных многовариантных расчетов предложены следующие рекомендации.
1. Начало подогрева следует передвинуть на более поздние сроки, когда температура грунта на глубине заложения труб опустится до 00С, что по данным Гидрометеослужбы г. Якутска приходится на 1 - 2 ноября. В этом случае начало подогрева отодвигается на две недели.
2. Перераспределение степени подогрева воды между ВУ1 и ВУ2 следует делать по предложенной методике (варианты 2, 4), что дает экономию 22 и 35% соответственно.
С учетом уменьшения продолжительности периода и степени подогрева воды в водоузлах годовая экономия составила 8 млн руб. в год.
УДК 696.697.698
ЭНЕРГОАУДИТ - ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
М.Ю.Толстой, И.В.Александрова
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Показана роль и значение проведения энергоаудита для объектов бюджетной сферы, создания программного продукта проведения энергоаудита. Табл. 3. Библиогр. 11 назв.
1Толстой Михаил Юрьевич, заведующий кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции, тел.: (3952) 405609, e-mail: [email protected]
Tolstoy Mikhail Yurievich, Head of the chair of Heat Supply and Ventilation, tel.: (3952) 405609, e-mail: [email protected] Александрова Ирина Владимировна, аспирант, тел.: (3952) 745255, e-mail: [email protected] Aleksandrova Irina Vladimirovna, postgraduate student, tel.: (3952) 745255, e-mail: [email protected]
